После прочтения перевода статьи «Путь SpaceX к дозаправке Starship в космосе яснее, чем кажется» https://thealphacentauri.net/102436-put-spacex-k-dozapravke-starship-v-kosmose-yasnee-chem-kajetsya/ Александра Тарлаковского, о перекачке топлива ускорением, меня шокировало его затраты в 40 тонн для постоянного поддержания микрогравитации ускорением, чтоб перелить 1200 тонн! Получается за 30 полетов один бесплатный, или две доставки Фелкон 9 по 50 млн. долларов каждая! Я засек время, включил скважину и стал наливать все попавшиеся емкости, да помешала жена, пришлось обращаться к гуглу 🙂
Для примера подобрал подходящий не энергоемкий насос в 2 кВт производительность которого составила 15 кубометров в час на высоту 87 метров. Такие характеристики подходят по многим причинам. Для его питания достаточно небольшой солнечной панели около 15 кв.м, перекачка займет 100 часов затратив 200 кВтч. Так как ему не нужно качать из глубины, да еще почти невесомое топливо, затраты будут еще меньше, да ладно, все равно это грубо для примера.
Если не тянуть с собой солнечные панели (хотя они возможно будут на КА) тогда обратимся к википедии: 1кг сжиженного газа дает 12кВт электроэнергии. Значит для перекачки необходимо порядка 20кг газа, точнее обычный газовый баллон для плиты (46кг), плюс кислородный 50кг (строительный, кислорода пей не хочу), и движок от запорожца (105кг) на метане. Выигрыш очевиден 🙂 .
Оставим пока насосы, обратим внимание на предложения перекачки вращением (говорят бесплатно), ведь вращение ненужно постоянно поддерживать, как в модели с ускорением, достаточно изначально слегка раскрутить и оно центробежной силой переместит топливо в КА. Так ли? Разберем по порядку.
Примечание. Для заправки старшипа под завязку, потребуется 12 полетов танкера по 100 тонн, поэтому все операции придется повторять те же 12 раз.
Вариант с ускорением, долго рассматривать не будем, затраты уже описаны. Понятно одно, трубопровод должен выходить между двигателей, потребуется устанавливать выдвижную трубу со стыковочным узлом, раздвигать двигателя, термоизолировать. Или тянуть отдельную магистраль с самого верха по корпусу, так как грузовой отсек расположен в носу, и присоединяться к готовому разъему земной заправки Старшипа. Для всего этого потребуется манипулятор-заправщик, без него никак, и куда-то прятать его при взлете. В связи с относительно малым сечением заправочного узла и очень слабым ускорением, топливо будет течь достаточно долго, для ускорения процесса можно создать давление в емкости танкера, и стравливать газы из баков КА в космос. Но есть вероятность образования топливных пузырей при выходе струи из трубы, которые будут летать и удалятся вместе с газами за борт. Новые потери. Чтоб избежать этого, попробуем направить газы назад в бак танкера, через насос, создавая этим избыточное давление, попутно возвращая пузыри топлива. Получается довольно сложная система. Еще интересный вопрос, каким газом давить, азотом — есть вероятность смешения, нагревать слегка криогенное топливо с одной стороны, так пока переместим его по трубам, повысим общую температуру (охлаждать нечем). Придется дополнительно газовать в космос.
Перекачка вращением бывает разная:
Осевая.
Аппараты стыкуются «попками» или носами, разницы нет, разве что подключением узлов заправки. Топливо прижимается к стенкам, значит, магистраль должна проходить по боку КА. Мы видим, что такая перекачка позволяет халявно передать только половину топлива. На остальное придется задействовать насос.
Параллельное расположение.
Стыковка может быть как строго зеркальна, так и со смещением, чтоб земной заправочный узел сташипа был напротив грузового отсека танкера. Из которого проще выдвигать заправочную штангу, этим уменьшится количества трубопроводов, правда тогда появится продольное вращение, компенсировать придется усилением переходного узла и установкой дополнительного крепления по длине корпуса.
Здесь все вращается вокруг общего центра масс. Масса пустого танкера и старшипа примерно одинаковая, тогда ЦМ будет посреди них. Полный танкер будет тяжелее на 100 тонн, значит ЦМ будет ближе к нему, и топливо устремится к старшипу, который вращается по большему радиусу. Топливо начнет наполнять АК и ЦМ снова начнет свое смещение. Все закончится, как и в первом случаи, процесс остановится на половине. Последующий рейс бесплатно отгрузит только четверть, и на этом закончится возможность перекачки вращением.
Третий, более обнадеживающий вариант это перпендикулярное размещение аппаратов.
Отметим для начала их центры тяжести, на основании их, определим место ЦМ. Он разместится в центре грузового отсека танкера. При размещении топливной емкости ближе к носу (там есть еще одна, для посадочного бака с кислородом), танкер сможет выгружать первые партии полностью. Для Луны Маск заявил, что достаточно 6 заправок (половина баков), тогда этот вариант полностью обслужит КА, а вот для Марса нужна полная. Мои расчеты брать в расчет не обязательно, они визуальны и просчитаны на счетах))). Вероятность заполнения баков до полного объема есть, но очень мала. Попробуем танкер отодвинуть дальше от КА, то и бак так же отдалится от него, выигрыша нет.
Схемы разобрали все, приступим к поискам плюсов и минусов.
Для раскрутки потребуется работа маневровых двигателей, а это иное топливо, которое придется довозить и заправлять отдельно. Пусть его расход и мал, но добавит трудности в заправке (точно не знаю на чем они у Маска будут работать, если на метане тогда извиняюсь, затраты небольшие), и все равно это придется повторять 12 раз, раскрутить, затем остановить.
И самое интересное, обратите внимание на соотношение доставляемого топлива к объему грузового отсека. Старшип будет перевозить воздух!Из 1100 кубометров обитаемого пространства будет заполнено лишь 100. Ранее писали на АЦ ( извините, не нашел ссылку, подскажите, добавлю), что запуск на орбиту объемного спутника затратно, из-за габаритов к нему нельзя добавить другие, а масса самого мала. Предлагалось догружать водой, для последующего превращения на орбите в водородное топливо, но в данном случаи этот номер не прокатит, так как тоннаж будет соответствовать полной полезной нагрузке. Можно конечно добавлять кубсаты, спутники, но это будет отнимать массу топлива. (В пример Старлинк)
В дальнейшем Маску придется строить отдельный топливозаправщик, немного тоньше, так как укоротить старшип нельзя, это приведет к его разбалансировке при планировании в атмосфере. Стабилизаторы и так вынесены выше некуда, на сферическую, конусную часть носового отсека, хотя удобнее было бы разместить на боковой прямой части, так же не забываем, что в самый нос для массы добавлен кислородный посадочный бак. Вывод, придется возить воздух и лишние тонны колец грузового отсека (по моим прикидкам 10-14тонн). При уменьшении диаметра, уменьшится и миделевое сечение корпуса, что отразится на торможении аппарата при входе в плотные слои атмосферы, и это приведет к увеличению плоскостей стабилизатора.
Еще был комент, выдавливать топливо на подобии шприца. Я поначалу отнесся к этому скептически, так же многие согласились со мной, но пока работал над статьей, слегка подумал и о ней. Она рабочая! Благо, что полетов требуется много, то для перевозки достаточно одной цистерны, после каждого рейса продуваем азотом. Вначале доставляем метан, затем кислород (его труднее хранить).
100 м3 = ǿ 3м х 15 метров высотой цистерна займет центральное место, вокруг останется достаточно пространства, чтоб надежно изолировать от внешней температуры. Размещаем ее в центре грузового отсека. Вверху делаем отвод в сторону корпуса, где нет термозащиты, и через люк выдвигается заправочная штанга, соединяясь с КА. Сразу оговорюсь, что я на рисунках не брал в расчет что метан имеет меньший вес 415кг/куб.м, а кислород 1140кг/куб.м. Придется емкость брать немного большую, какую по экономичнее, думаю это будет зависеть от пропорционального количества полетов с метаном и кислородом.
Рассматривая варианты выше, нам нужна была микрогравитация, чтоб прижать жидкость к трубе, в данной схеме для выдавливания топлива, находясь в космосе, нет необходимости в ней, так же настоящий поршень изготавливать не придется, достаточно мембраны. Мы не будем брать супер силиконовую резину из Армовира, (не знаю как нынешняя молодежь, но поколения СССР знают хорошо 🙂 ) которая растягивалась бы до размера бака, выдерживала криогенную заморозку, и т.д., достаточно просто тонкой пленки или нержавеющей фольги. Давить будем газом, поэтому пленка нужна лишь для того, чтоб этот газ не смешивался и не дробил пузырями топливо, или большим пузырем не прошел насквозь. Импровизированный поршень закрепляем на кольце, равному диаметру цистерны, плотность подгонки к стенкам не важна, так как газ будет давить равномерно по всей площади, как на пленку, так и на топливо в зазорах. Главное не допустить его перекоса! Здесь есть много вариантов.
- По стенкам цистерны прокладывается ребро в виде резьбы с большим шагом, при надавливании на мембрану, она будет равномерно вращаться по спирали.
- Закрепить на кольце сервомоторчики, которые будут корректировать положение мембраны.
- Кольцо сделать пошире, а мембрану по эластичнее.
Баллон со сжиженным газом для заполнения 100 кубов много место не займет. Википедия: 1 литр жидкого азота выдаст 700 кубов газа, правда при комнатной температуре 🙂 .
Учитывая, что места много, то поршень можно изготовить термоизоляционным, чтоб уменьшить передачу температуры, хотя при выпуска азота, он скорее добавит охлаждения.
И все же я склонен, что лучше эти цистерны выводить на орбиту с монтированными на них каркасными фермами, чтоб затем их соединять в топливную базу. Сам Маск в последнем интервью говорил, что слишком сложно старшипу сохранять топливо на орбите, с одной стороны подогреваясь Солнцем, с другой – Землей.
Чтоб послать экспедицию, необходимо вначале вывести Старшип на орбиту, затем ждать пару месяцев заправки, наземная служба пока не в состоянии организовать быструю доставку топлива к стартовому столу. И после этого всего, взлетает еще один КА с экипажем, провизией, техникой, производит пересадку. Проще иметь заправочную станцию на орбите, цистерны, оборудованные надежной теплозащитой, собирать рукой-манипулятором в кольцо. По сути ничего не меняется, только при первой доставке топлива нужна в наличии «рука» и лишние 1-2 запуска, далее все уже отработано на МКС, зато в дальнейшем проблем не будет. Старшип улетел к Луне, а танкер продолжает доставлять топливо, для следующей экспедиции, если случится что-то чрезвычайное, то следующий может вылететь через час на выручку.
Концепция такова, на орбиту выводится заполненная цистерна, в виде зеркального термоса, объем грузового отсека позволяет. По бокам расположены самораскрывающиеся фермы и соединительные топливные трубы. После сборки можно обкрутить отражающей многослойной пленкой, как у Джеймс Уэбба.
Топливную базу оставляем постоянно вращающуюся, чтоб не тратить топливо на раскрутку-торможение, заправщик становится по оси, синхронизирует вращение и входит вовнутрь, центробежной силой сливает топливо. Затем расстыковка, база прекращает вращаться только по прибытию старшипа на заправку. Корабль пристыковывается снаружи. База имеет больший вес, значит будет находится возле центра масс, и топливо перетечет в корабль.
И еще идея на закуску.
Сам старшип превращаем в орбитальную заправку! Для этого убираем все стабилизаторы, термоплитку, посадочные топливные баки, и все сопутствующее агрегаты для возврата. Стартовые баки оставляем как прежде, а в грузовом отсеке добавляем перегородку для раздела метана и кислорода. Снаружи полируем до зеркального блеска, одеваем защитную рубашку от микро метеоритов, так же полируем как изнутри так и снаружи, и т.д.
Вместо 100 тонн полезной нагрузки и минус десятка тонн снятого оборудования, можем навешать массу различной защиты, оборудуем рукой-заправщиком, солнечными панелями, радиаторами, насосами и т.д., пустой выводим на орбиту. Мы получим топливную базу объемом в 1100 тонн в районе грузового отсека и стартовые баки 1200 тонн, готовые к приему топлива. Это два раза по полной заправке, без дополнительных затрат на проектирование и изготовление.
Можно перегородку установить одну, а при запуске заправить топлива, сколько необходимо для взлета. Но это снижает безопасность, если все же метеорит или осколок разбитого «Космоса» проделает дыру. В дальнейшем «Дракон» с экипажем, снимает пять двигателей, упаковывает и отправляет на заправщике домой, с экономя десяток миллионов долларов, один придется оставить для маневров уклонения, подъема орбиты.
P.S. Добавим еще один вариант предложенный в комментариях. Архимедовым винтом и задействовав силу Кориолиса.
Закрепим спираль к стенкам. Имея гравитацию, шарики (частицы топлива) прижимаются к стенке и вращающее движение дает результирующую силу, которая передвигает все вверх. Но в отсутствии гравитации шарики летают свободно, при воздействии винта они просто увлекаются за ним и в конечном итоге топливо приобретет центробежную силу как и сама спираль. Движение вперед не произойдет. Открепим винт от стенки (эффект мясорубки), вначале он продвинет топливо вперед пока не раскрутит, получим тот же эффект, в дополнении вращающее топливо будет увлекать за собой стенки, придется их тормозить. Да, прижатое центробежной силой топливо, получит небольшое сцепление, что будет продвигать его вперед, но сколько энергии придется приложить, чтоб вращать не малый отдельный винт, и притормаживать корпус.